1、1/802/8018791879年年3 3月，出生月，出生在德国的一个犹太家在德国的一个犹太家庭。父亲是小商人，庭。父亲是小商人，母亲是钢琴家。上学母亲是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱后，成绩平平，但爱动脑筋。动脑筋。18961896年，第二次年，第二次参加高考进入苏黎士参加高考进入苏黎士工业大学。工业大学。童年时的爱因斯坦童年时的爱因斯坦一一.爱因斯坦爱因斯坦(1879-1955)简介简介3/8019051905年，狭义相对论年，狭义相对论 光电效应光电效应 布朗运动布朗运动19161916年，建立广义相对论。年，建立广义相对论。19331933年，受德国纳粹迫害，移居美国，任普年，受德国纳
2、粹迫害，移居美国，任普 林斯顿研究所研究员。林斯顿研究所研究员。19551955年年4 4月月1818日去世。日去世。19211921年，获诺贝尔物理奖。年，获诺贝尔物理奖。19021902年，任瑞士伯尔尼联邦专利局的检验员。年，任瑞士伯尔尼联邦专利局的检验员。三篇文章三篇文章4/801.对经典理论的大胆怀疑对经典理论的大胆怀疑马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。的怀疑态度和独立性。爱因斯坦爱因斯坦二二.爱因斯坦的研究特色爱因斯坦的研究特色5/802.博闻苦思，好学进取博闻苦思，好学进取“如果我以速度如果我以速度c c追随一条光线运动追随一条
3、光线运动”，我应当看到什么现象我应当看到什么现象呢？呢？1616岁时岁时,爱因斯坦就思考爱因斯坦就思考：年轻时的爱因斯坦6/80 认为科学应当对称和谐认为科学应当对称和谐,科学理论应当科学理论应当逻辑简单，概念和假设应当尽量地少，理论逻辑简单，概念和假设应当尽量地少，理论应当简洁。应当简洁。晚年致力于大统一理论研究。晚年致力于大统一理论研究。3.3.追求科学理论的和谐与自然追求科学理论的和谐与自然：7/801.普遍读不懂，不理解普遍读不懂，不理解在法国，在法国，19101910年几乎没有人提到爱因斯坦。年几乎没有人提到爱因斯坦。J JJ J汤姆逊汤姆逊19091909年：年：“以太对我们来说，
4、以太对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。就象我们呼吸空气一样不可缺少。”马吉马吉19111911年：年：“我相信，现在没有一个我相信，现在没有一个活着的人会断言，时间会是速度的函数。活着的人会断言，时间会是速度的函数。”三三.狭义相对论被承认的曲折经历狭义相对论被承认的曲折经历8/802.2.普朗克：普朗克：“如果相对论是正确的，爱因斯坦就如果相对论是正确的，爱因斯坦就 是是2020世纪的哥白尼。世纪的哥白尼。”作为作为物理学年鉴物理学年鉴的主编发表了爱因斯的主编发表了爱因斯坦的文章。坦的文章。9/8019161916年年,爱因斯坦又完成了广义相对论，爱因斯坦又完成了广义相对论，提出了三
5、大天文效应。其中之一，引力场将提出了三大天文效应。其中之一，引力场将使星光弯曲。使星光弯曲。太阳太阳星星3.实验验证实验验证10/8019191919年，英国人年，英国人爱丁顿，率领一支考爱丁顿，率领一支考察队，利用日全食察队，利用日全食,观察到这一现象，并观察到这一现象，并拍摄了照片。相对论拍摄了照片。相对论的成功震惊了世界的成功震惊了世界!爱丁顿像爱丁顿像爱因斯坦成为公爱因斯坦成为公众瞩目的人。众瞩目的人。11/801.1.使牛顿理论二百多年来第一次得到修正，使牛顿理论二百多年来第一次得到修正，牛顿力学成为相对论的特例。牛顿力学成为相对论的特例。2.2.对质量、能量、时间、空间、速度等物理
6、对质量、能量、时间、空间、速度等物理 量有了一个全新的认识。量有了一个全新的认识。3.3.E=mcE=mc2 2为核能的开发利用奠定了为核能的开发利用奠定了理论理论基础。基础。四四.相对论的意义相对论的意义12/80 “今天早上八点钟我在家里开始看书今天早上八点钟我在家里开始看书”什么是时间？什么是空间什么是时间？什么是空间?问题：问题：应该从何角度去研究时间和空间？应该从何角度去研究时间和空间？物理量：时间、空间位置（坐标）物理量：时间、空间位置（坐标）问题问题1 1：牛顿与爱因斯坦时空观牛顿与爱因斯坦时空观13/80 对时间和空间来说，对时间和空间来说，重要的问题并不重要的问题并不在于它们
7、的在于它们的“纯粹纯粹”定义，而是它们之定义，而是它们之间的间的关系，以及它们与物质运动的种种联系。关系，以及它们与物质运动的种种联系。14/80 “早上八点早上八点”：以你的手表或家里：以你的手表或家里的钟作为标准的。更正确地说，是采用的钟作为标准的。更正确地说，是采用北京时间北京时间。如果有另外一个人，他说：如果有另外一个人，他说：“我今天也是我今天也是从早上八点钟开始看书的从早上八点钟开始看书的”结论结论：两个人同时在北京时间八点开始看书。：两个人同时在北京时间八点开始看书。15/80 对一个正在对一个正在高速飞行高速飞行（)的观察者来说，当他用的观察者来说，当他用他的钟来计时，发现这两
8、个人并不是他的钟来计时，发现这两个人并不是“同时同时”开始看书的开始看书的。这个这个“违背违背”习惯的结论就是爱因斯坦相对习惯的结论就是爱因斯坦相对论时空观与牛顿经典力学时空观的一个重要区别。论时空观与牛顿经典力学时空观的一个重要区别。相对论的结论：相对论的结论：“同时同时”具有相对性！具有相对性！.a.cv 16/80 牛顿的时空观牛顿的时空观：空间延伸和时间流逝都是绝对的空间延伸和时间流逝都是绝对的。空间、时间是相互独立的空间、时间是相互独立的相对论时空观相对论时空观:时间和空间是密不可分的。四维时空。时间和空间是密不可分的。四维时空。问题问题I I：我们到底生活在三维空间还是四维空间？：
9、我们到底生活在三维空间还是四维空间？问题问题IIII：生活在二维空间的生物是什么样子？：生活在二维空间的生物是什么样子？问题问题IIIIII：如何去想象四维空间的事情？：如何去想象四维空间的事情？17/80二维鱼二维鱼二维狗二维狗结论：生命不能承受结论：生命不能承受“低维低维”之简之简18/80三维空间万有引力定律：三维空间万有引力定律：21rFn n维空间万有引力定律：维空间万有引力定律：11nrF类比类比在四维空间或高维在四维空间或高维空间里不存在稳定空间里不存在稳定的原子结构。的原子结构。结论结论生命不能承受生命不能承受“高维高维”之变之变在四维空间或高维在四维空间或高维空间里不存在稳定
10、空间里不存在稳定的太阳系，不存在的太阳系，不存在产生生命的环境。产生生命的环境。结论结论19/80 （1 1）在一个没有风的雨天，在一个没有风的雨天，观测者观测者K站在地站在地面上没有走动。观测者面上没有走动。观测者K在快步前进。在快步前进。他们看到他们看到雨点的运动轨迹一样吗？雨点的运动轨迹一样吗？问题问题2 2：经典速度合成规律是否具有普适性？经典速度合成规律是否具有普适性？（2 2）标枪运动员在投掷时为何要作助跑动作？）标枪运动员在投掷时为何要作助跑动作？20/80 （3 3）小船渡河问题：）小船渡河问题：21/80问题：问题：李四李四看到张三看到张三即将投球的时刻即将投球的时刻要比要比
11、张三本身张三本身即将投球即将投球 的时刻在时间上有什么差别？的时刻在时间上有什么差别？张三张三李四李四张三张三李四李四问题：问题：经典速度合成公式是否也适合于光的传播？经典速度合成公式是否也适合于光的传播？球在张三手中静止时，设球发出的光速是球在张三手中静止时，设球发出的光速是c c。晚了晚了:cdt 22/80 问题问题：李四看到球李四看到球刚刚从张三手中投出的刚刚从张三手中投出的时刻时刻要比张三作这个动作的时刻有何差别？要比张三作这个动作的时刻有何差别？若光的运动满足经典速度合成律，会有何结果？若光的运动满足经典速度合成律，会有何结果？张三张三张三张三李四李四李四李四晚了晚了t=d/(c+
12、ut=d/(c+u)李四会看到何现象？李四会看到何现象？比较：比较：晚了晚了t=d/ct=d/c 。23/80 李四将先看到球飞出，李四将先看到球飞出，后看到张三的投球动作后看到张三的投球动作!这就是把经典的速度合成公式应用到这就是把经典的速度合成公式应用到光传播问题上得到的一个混乱结果。光传播问题上得到的一个混乱结果。为什么我们没有真正感觉到混乱的结果？为什么我们没有真正感觉到混乱的结果？24/80 在天体的大尺度上，光速不能被认为是无限在天体的大尺度上，光速不能被认为是无限大的，所以光传播中的矛盾就不可能避免。大的，所以光传播中的矛盾就不可能避免。值得思考的问题：值得思考的问题：从严格意义
13、上讲，如何才能不出现这种混乱结果？从严格意义上讲，如何才能不出现这种混乱结果？25/80 若光线服从经典的速度合成公式，那么，若光线服从经典的速度合成公式，那么，A A点点向我们发出的光的速度是向我们发出的光的速度是c+uc+u ，而，而B B点向我们发来点向我们发来的光的速度仍是的光的速度仍是c c。公元公元1054年年5月一次月一次超新星爆发超新星爆发，这次爆发的残骸形成这次爆发的残骸形成了金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元了金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元 1054年-1056年均能用肉眼观察均能用肉眼观察,特别是开始的特别是开始的 23 天天,白白天也能看见。天也能看
14、见。26/80 也就是说，也就是说，我们至少在我们至少在2525年里都可以看到开始爆发年里都可以看到开始爆发时所产生的强光。时所产生的强光。然而，这不符合事实。然而，这不符合事实。蟹状星云与地球的距离蟹状星云与地球的距离L L大约是大约是5 5千光年，爆发速度是千光年，爆发速度是每秒每秒15001500公里左右。用这些数据来计算，很容易得到公里左右。用这些数据来计算，很容易得到t-t25t-t25年。年。由由A A点发的光到达地球的时间点发的光到达地球的时间：t=L/t=L/（c+uc+u），由由B B点发的光到达地球的时间点发的光到达地球的时间：t=L/ct=L/c。27/80投球游戏与本例
15、的结论似乎应该是什么投球游戏与本例的结论似乎应该是什么？无论光源速度多大，发出光的速度都是无论光源速度多大，发出光的速度都是一样的。光速并不遵从经典的速度合成律。一样的。光速并不遵从经典的速度合成律。狭义相对论中基本假定：狭义相对论中基本假定：光速不变原理光速不变原理28/80问题问题IIIIII：怎样才算是严格意义上的同时对表？怎样才算是严格意义上的同时对表？例如，整点对表问题。例如，整点对表问题。两个事件的同时性：两个事件的同时性：两件事件的空间位置可以不同，但发生的时间是一样的两件事件的空间位置可以不同，但发生的时间是一样的。问题问题I I：严格讲上述说法准确吗？严格讲上述说法准确吗？问
16、题问题IIII：是否给我们日常生活带来了不便？是否给我们日常生活带来了不便？问题问题3 3 两个事件的同时性两个事件的同时性29/8030/80AB狭义相对论：狭义相对论：“同时同时”是相对的，有时候甚至事情的先后也是相对的。是相对的，有时候甚至事情的先后也是相对的。一节长一节长1010米列车，米列车，A A在车后部，在车后部，B B在车前部。当列车以在车前部。当列车以0.6c0.6c速度通过速度通过站台时站台时,站台上的人看到站台上的人看到A A先向先向B B开枪开枪,过了过了12.512.5毫微秒毫微秒,B,B又向又向A A发射。发射。车上的乘客作证：车上的乘客作证：B B先开枪，过了先开
17、枪，过了1010毫微秒，毫微秒，A A才动手，才动手，枪战是由枪战是由B B挑起的挑起的。站台上的人作证：枪战是由站台上的人作证：枪战是由A A挑起的。挑起的。31/80AB到底是谁先动手的呢？到底是谁先动手的呢？没有绝对的答案！没有绝对的答案！谁先谁后是相对的。在列车参考系中，谁先谁后是相对的。在列车参考系中，B B先先A A后，在车站参考系中则是后，在车站参考系中则是A A先先B B后。后。32/80年轻小伙名杰克年轻小伙名杰克神行有术赛光子神行有术赛光子有朝一日学相对有朝一日学相对今朝出门昨夜归。今朝出门昨夜归。问题：问题：若事件的先后次序是相对的，是否若事件的先后次序是相对的，是否 会
18、出现因果关系颠倒现象？会出现因果关系颠倒现象？（1 1）一个人的死亡早于他的诞生）一个人的死亡早于他的诞生?（2 2）一列火车的到达早于它的出发？）一列火车的到达早于它的出发？光速不变性保证了因果关系的成立！光速不变性保证了因果关系的成立！33/80问题问题4 4运动的时钟变慢运动的时钟变慢运动的钟变慢！运动的钟变慢！子：从产生到衰变，约百万分之二秒子：从产生到衰变，约百万分之二秒。即使即使子以光速运动也只能走过子以光速运动也只能走过600600米的距离米的距离。宇宙线观测证明，高空中产生的宇宙线观测证明，高空中产生的子能达到子能达到地面，它们走的距离远远大于地面，它们走的距离远远大于6006
19、00米，为什么？米，为什么？地球上的观察者与在粒子上地球上的观察者与在粒子上“观察者观察者”观测到的时间间隔不同！观测到的时间间隔不同！34/80双生子佯谬双生子佯谬真的会发真的会发生吗？生吗？ParadoxParadox：悖论，佯谬悖论，佯谬35/80 双生子佯谬实验双生子佯谬实验 子从一点出发沿圆形轨道运动再回到出发子从一点出发沿圆形轨道运动再回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。点，这同乙的旅行方式是一样的。实验结果：实验结果：旅行后的旅行后的 子的确比未经旅子的确比未经旅行的同类年轻了（从它的衰变角度研究）。行的同类年轻了（从它的衰变角度研究）。结论：结论：谁相对于整个宇宙做更多的变速
20、运动，谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久。谁就会活得更长久。19661966年年 用两个用两个子作了子作了“双生子双生子”旅游实验，旅游实验，一劳永逸地结束了纯理论的争论。一劳永逸地结束了纯理论的争论。36/80a.慢慢慢慢.时时钟钟变变慢慢是是相相对对的的若两个参考系均是若两个参考系均是惯性系惯性系，永远解决不了上述问题。，永远解决不了上述问题。37/80问题问题5 5运动的尺子在运动方向变短运动的尺子在运动方向变短 狭义相对论：一切物体都要在其运动方向上收缩。狭义相对论：一切物体都要在其运动方向上收缩。以每秒以每秒1111公里速度飞行的火箭，在运公里速度飞行的火箭，在运动方
21、向只收缩十亿分之二左右。动方向只收缩十亿分之二左右。一把一把1 1米长的尺当速度达到光速的一半时，米长的尺当速度达到光速的一半时，收缩百分之十五！收缩百分之十五！38/80伽莫夫：伽莫夫：物理世界奇遇记物理世界奇遇记，主人公：汤普金斯先生，主人公：汤普金斯先生 尺缩和钟慢一样也是对称的。尺缩和钟慢一样也是对称的。如果甲、乙之间有如果甲、乙之间有相对运动，甲看乙的尺缩短了，乙看甲的尺缩短相对运动，甲看乙的尺缩短了，乙看甲的尺缩短了。尺长是相对的！了。尺长是相对的！39/80杰克小伙剑术精杰克小伙剑术精,出剑迅速似流星。出剑迅速似流星。由于空间相对论由于空间相对论,长剑变成小铁钉长剑变成小铁钉。有
22、一首无名作家写的打油诗有一首无名作家写的打油诗 ,描写了这种描写了这种高速运动物体的相对论性收缩效应高速运动物体的相对论性收缩效应 :40/80 由于照片是由于照片是同时同时拍摄的，所以比较两张照片上空间拍摄的，所以比较两张照片上空间坐标的差，就可以得到运动尺子的长度。坐标的差，就可以得到运动尺子的长度。在给定时刻由两个人在给定时刻由两个人同时同时进行拍照，一个拍摄运进行拍照，一个拍摄运动尺子的前端，一个拍摄其后端动尺子的前端，一个拍摄其后端。当尺子相对参考系运动，如何测尺的长度？当尺子相对参考系运动，如何测尺的长度？若尺子相对某个参考系是静止的，尺子两端空间坐标若尺子相对某个参考系是静止的，
23、尺子两端空间坐标的差就是尺子的长度。的差就是尺子的长度。问题问题 6 6：如何测量尺子的长度？如何测量尺子的长度？41/80问题问题：该结果与尺子相对某个参考系静该结果与尺子相对某个参考系静 止时的长度相等吗？止时的长度相等吗？同时进行拍照！同时进行拍照！“同时同时”是相对的，是与参考系的选择有关的。是相对的，是与参考系的选择有关的。对不同参考系，要按各自的对不同参考系，要按各自的“同时同时”进进行拍照，由此导致了不同的测量结果。行拍照，由此导致了不同的测量结果。42/80概概 念念经典力学经典力学 狭义相对论狭义相对论光光 速速相对的相对的绝对的绝对的同同 时时绝对的绝对的相对的相对的不可能
24、有物理联系不可能有物理联系的两事件的次序的两事件的次序绝对的绝对的相对的相对的可能有物理联系的可能有物理联系的两事件的次序两事件的次序绝对的绝对的绝对的绝对的43/80 狭义相对论的几个结论：狭义相对论的几个结论：（1 1）运动的时钟变慢）运动的时钟变慢（2 2）运动的尺子变短）运动的尺子变短（3 3）运动的物体质量变大）运动的物体质量变大（4 4）质能关系）质能关系 2mcE 44/80牛顿错了牛顿错了？cv 相对论相对论牛顿力学牛顿力学牛顿力学牛顿力学相对论相对论推广推广演绎法演绎法传承性传承性释疑性释疑性理论预言理论预言45/80 “科学理论的发展，不是拆了旧房盖新房。科学理论的发展，不
25、是拆了旧房盖新房。它象登山一样。创立一个新的理论就象登上一它象登山一样。创立一个新的理论就象登上一座高峰。视野扩大了，原来隐藏着的东西被发座高峰。视野扩大了，原来隐藏着的东西被发现了。原来的理论仍然历历在目，只是显得小现了。原来的理论仍然历历在目，只是显得小了，成了广阔视界中的一小部分了，成了广阔视界中的一小部分。”46/80 苏轼苏轼 题西林壁题西林壁 横看成岭侧成峰，远近高低各不同。横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不是庐山真面目，只缘身在此山中不是庐山真面目，只缘身在此山中。杜甫：杜甫：望岳望岳 岱宗夫如何？岱宗夫如何？齐鲁青未了。齐鲁青未了。造化钟神秀，造化钟神秀，阴阳割昏晓。阴阳割昏晓
26、。荡胸生层云，荡胸生层云，决眦入归鸟。决眦入归鸟。会当凌绝顶，会当凌绝顶，一览众山小一览众山小。47/80（）为何会出现这些难以理解的结果？）为何会出现这些难以理解的结果？（）理论上的突破点在哪里？（）理论上的突破点在哪里？（）如何学习相对论？（）如何学习相对论？四维时空的结果四维时空的结果四维时空的洛仑兹变换四维时空的洛仑兹变换要努力说服自己承认和接受相对论的结果，要努力说服自己承认和接受相对论的结果，不要用通常的思维去理解四维空间结果。不要用通常的思维去理解四维空间结果。48/80牛牛顿顿时时空空观观讲讲解解思思路路伽利略相对性原理伽利略相对性原理伽利略速度变换伽利略速度变换伽利略加速度变
27、换伽利略加速度变换伽利略坐标变换伽利略坐标变换长度的绝对性长度的绝对性时间间隔绝对性时间间隔绝对性49/80一、伽利略变换一、伽利略变换当当 时时0tt oo与与 重合重合 xyy zz tt 坐标变换公式坐标变换公式x xy yvo oz z ss*),(),(zyxzyxPx xt vz z yyxuyyuu zzuu速度变换公式速度变换公式txvvxuzzaayyaa xxaa加速度变换公式加速度变换公式50/80aaamF amFx xy yvooz z ss*),(),(zyxzyxPx xtvz z yyzzaayyaa xxaa加速度变换公式加速度变换公式mm 在不同的惯性系中牛
28、顿方程具有相同的形式。在不同的惯性系中牛顿方程具有相同的形式。伽利略相对性原理伽利略相对性原理51/80txxvyy zz tt)(11txv)(22txv12xx111txxv222txxv)z,y,x()z,y,x(P2222222x)(xy yvo o z ss)z,y,x()z,y,x(P1111111x xtvz)z,y,x()z,y,x(P2222222时间间隔不变、长度不变时间间隔不变、长度不变二、时间间隔绝对性、二、时间间隔绝对性、长度的绝对性长度的绝对性12xx 52/803.3.时间间隔测量的绝对性时间间隔测量的绝对性4.“4.“同时同时”的绝对性的绝对性5.5.伽利略相对
29、性原理伽利略相对性原理 1.1.绝对时空观的数学描述绝对时空观的数学描述伽利略变换伽利略变换53/80相相对对论论理理论论讲讲解解思思路路洛仑兹速度变换洛仑兹速度变换时间的延缓时间的延缓长度的收缩长度的收缩同时的相对性同时的相对性洛仑兹坐标变换洛仑兹坐标变换相对论的两个基本原理相对论的两个基本原理相对论产生的历史背景相对论产生的历史背景相对论力学相对论力学54/80相对论的产生与麦克斯韦电磁场理论有关相对论的产生与麦克斯韦电磁场理论有关。当运用该理论处理与运动物体相关的电磁当运用该理论处理与运动物体相关的电磁现象时遇到了尖锐的矛盾：现象时遇到了尖锐的矛盾：（1 1）电磁规律似乎满足相对性原理。
30、）电磁规律似乎满足相对性原理。N SNS（2 2）电磁规律不满足伽利略相对性原理。电磁规律不满足伽利略相对性原理。显然显然（1 1）与（）与（2 2）是矛盾的！）是矛盾的！55/80（3 3）按照电磁理论，光速按照电磁理论，光速c c是常量是常量与伽利略速度变与伽利略速度变 换矛盾。换矛盾。按牛顿力学，对两个不同的惯性按牛顿力学，对两个不同的惯性系系,光速应该满足伽利略变换光速应该满足伽利略变换真空中的光速真空中的光速m/s10998.21800c与参考系无关与参考系无关v c c光速与发光物光速与发光物体速度有关体速度有关56/80 难道电磁场理论不具有普遍性，而只对难道电磁场理论不具有普遍
31、性，而只对一个特定的绝对静止的参考系成立吗？一个特定的绝对静止的参考系成立吗？这个特定的静止的绝对参考系：这个特定的静止的绝对参考系：以太系以太系问题问题：为何在电磁理论中光速不变呢？为何在电磁理论中光速不变呢？以太系是否真的存在？以太系是否真的存在？57/80寻找以太参寻找以太参考系的实验考系的实验 以太系不存在！以太系不存在！结论结论迈克耳孙迈克耳孙莫雷实验莫雷实验菲佐实验菲佐实验光程差现象光程差现象双星实验双星实验58/80(1)(1)电磁场理论电磁场理论不满足伽利略变换不满足伽利略变换。（2 2）不存在以太系，无法解释光速不变。不存在以太系，无法解释光速不变。（a a）在原有理论）在原
32、有理论的的基础上基础上,提出合理提出合理的的假设假设,修正旧修正旧的的理论。理论。（b b）提出新概念，建立新理论。提出新概念，建立新理论。59/80爱因斯坦是如何突破的呢？爱因斯坦是如何突破的呢？电磁场理论电磁场理论光速为何与参光速为何与参考系无关呢？考系无关呢？坚信坚信相对性原理相对性原理应该具有普适性应该具有普适性假定光速是常数！假定光速是常数！什么变换？什么变换？伽利略变换伽利略变换牛顿力学牛顿力学60/80在所有的在所有的惯性系中惯性系中物理定律的物理定律的形式都是相同的。形式都是相同的。真空中的光速是常数，它与光源或者观测者的真空中的光速是常数，它与光源或者观测者的运动无关，即不依
33、赖于惯性系的选择。运动无关，即不依赖于惯性系的选择。相对性原理相对性原理：2 2.光速不变原理光速不变原理61/80费米太空望远镜费米太空望远镜 62/80据大众科学最近报道，NASA的费米伽马射线太空望远镜观测到了上千个独立的伽马射线来源。绘制出一张迄今为止最完美的宇宙尽头的天空图，短期的伽马射线爆发证实了爱因斯坦的一个理论证实了爱因斯坦的一个理论，也就是无线电波，红外线，无线电波，红外线，可见光，可见光，X X射线和伽马射线在太空中均以相同的速度传播射线和伽马射线在太空中均以相同的速度传播。63/80 真空中的光速是常数，它与光源或者观测者的真空中的光速是常数，它与光源或者观测者的运动无关
34、，即不依赖于惯性系的选择。运动无关，即不依赖于惯性系的选择。2 2.光速不变原理光速不变原理问题问题：用何变换用何变换可以保证电磁理论的不变性呢？可以保证电磁理论的不变性呢？64/80某一事件某一事件P P在两惯性系中的在两惯性系中的时空坐标的关系为时空坐标的关系为：2)/(1cvvtxxyyzz22)/(1/cvcvxtt正正变变换换2)/(1cvvtxxyyzz22)/(1/cvcvxtt逆逆变变换换z z yx xyvo o ss*),(tzyx),(tzyxP65/80 但由于受到根深蒂固的绝对时空观的但由于受到根深蒂固的绝对时空观的影响，面对已发现的相对时空表示式，他影响，面对已发现
35、的相对时空表示式，他没有从中找到没有从中找到正确的物理含义正确的物理含义。1904 1904年洛仑兹就给出了该变换，已经走到了相对论的边缘。年洛仑兹就给出了该变换，已经走到了相对论的边缘。22)/(1/cvcvxtt 他说他说 t t 是真正时间，是真正时间，t t 是辅助量，仅为数学方便而引入是辅助量，仅为数学方便而引入的。在他逝世前一年（的。在他逝世前一年（1927 1927 年）他还肯定地说，对于他只年）他还肯定地说，对于他只有一个真正时间有一个真正时间 t t。19021902年获诺贝尔物理学奖年获诺贝尔物理学奖 66/80由洛仑兹变换：由洛仑兹变换：2)/(1cvvtxx22)/(1
36、/cvcvxtt2222)/(1cvvtxx2111)/(1cvvtxx22/1cvtvxx222/1cvxcvtt22222)/(1/cvcvxtt22111)/(1/cvcvxtt67/802/1cvuvuuxxx)/1(2cvuuuxyy)/1(2cvuuuxzz)/1(2cvuuuxzz)/1(2cvuuuxyy2/1cvuvuuxxx由由22/1/1cv正变换正变换逆变换逆变换68/801x2xoyzxSv voyzxS1.在在 S 系中系中不同地点不同地点同时发同时发生生的两事件，的两事件，,21tt0t0 x,21xx)/(2cxvtt由由02/cxv22/1/1cv(早上八点同
37、时看书例子）早上八点同时看书例子）69/80012ttt012xxx0122xcttv在在 S 系系此结果反之亦然此结果反之亦然.注意注意2.在在 S 系中系中同时同地同时同地发生发生的两事件的两事件 x y o12xyov12369123691236912369结论结论（1）在一个惯性系中）在一个惯性系中不同地点、同时不同地点、同时发生的事件，在其发生的事件，在其它惯性系中观察一定不同时。它惯性系中观察一定不同时。（2）在一个惯性系中在一个惯性系中同一地点、同一地点、同一同一时刻时刻发生的两个事发生的两个事件，在其它惯性系中观察也是件，在其它惯性系中观察也是同时同时的的.70/80在在S中：
38、中：先开枪，后鸟死先开枪，后鸟死是否能发生先鸟死，后开枪是否能发生先鸟死，后开枪？有因果律联系的两事件的时序是不会颠倒的。有因果律联系的两事件的时序是不会颠倒的。时序时序:两个事件发生的时间顺序两个事件发生的时间顺序。子弹子弹v v在在S中：中：71/80例例.（1）某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、某惯性系中一观察者，测得两事件同时刻、同地点发生，在其它惯性系中它们不同时发生。同地点发生，在其它惯性系中它们不同时发生。（3）在某惯性系中同时、不同地发生的两件事，在某惯性系中同时、不同地发生的两件事，在其它惯性系中必不同时发生。在其它惯性系中必不同时发生。（2）在惯性系中同时刻、不同地点发
39、生的两件事，在惯性系中同时刻、不同地点发生的两件事，在其它惯性系中必同时发生。在其它惯性系中必同时发生。正确的说法是：正确的说法是：(A)(1).(3)(B)(1).(2).(3)(C)(3)(D)(2).(3)C 72/80ooyzxSzxSv vy1x2x1x2x假设尺子和假设尺子和 S 系以系以 v v 向右运动，向右运动，S 系中尺子的长度系中尺子的长度=？0tlxxx120ll)(tvxx由由ll0S 系中尺子长度为：系中尺子长度为：22/1/1cv220/1cvll)(tvxx0ll220/1cvll问题：在问题：在S S系长度是系长度是 ,S,S系长度是多少？系长度是多少？l01
40、2lxxx0t0t73/80oyzxSozxSv vy1x2x1x2x0ll20)/(1cvll（3 3）长度的收缩只出现在运动方向。）长度的收缩只出现在运动方向。（4 4）长度收缩具有对称性。）长度收缩具有对称性。（2 2）l l 称为相对论长度。称为相对论长度。另一参考系另一参考系测得结果测得结果（1 1）l l0 0 称为固有长度称为固有长度：相对物体相对物体 静止的参照系所测量的长度。静止的参照系所测量的长度。74/80思考：思考：隧道与超高速火车问题。隧道与超高速火车问题。75/80地球上宏观物体最大速度地球上宏观物体最大速度103m/s，比光速小，比光速小5个数量级，个数量级，在此
41、速度下长度收缩约在此速度下长度收缩约1010，故可忽略不计。，故可忽略不计。伽莫夫：伽莫夫：物理世界奇遇记物理世界奇遇记，主人公：汤普金斯先生，主人公：汤普金斯先生 76/80 例例1 设想有一光子火箭，设想有一光子火箭，相对于地球以速相对于地球以速率率 飞行，若以火箭为参考系测得火箭长飞行，若以火箭为参考系测得火箭长度为度为 15 m，问以地球为参考系，此火箭有多长，问以地球为参考系，此火箭有多长？c95.0vss火箭参照系火箭参照系地面参照系地面参照系解解：固有长度固有长度m15l0220/1cvllm68.4m95.01152m150lvx xy yo o77/80例例2.宇宙飞船相对于
42、地面以速度宇宙飞船相对于地面以速度 v 作匀速直线飞行作匀速直线飞行,某某一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光信号，一时刻飞船头部的宇航员向飞船尾部发出一个光信号，经过经过 t （飞船上的钟）时间后，被尾部的接收器收到，（飞船上的钟）时间后，被尾部的接收器收到，则由此可知飞船的固有长度为则由此可知飞船的固有长度为tc )A(tv )B(2/1 )C(cvtc2/1 )D(cvtcA78/80练习练习.固有长度为固有长度为 L0=90 m的飞船，沿船长方向相对地的飞船，沿船长方向相对地球以球以 v=0.80 c 的速度在一观测站的上空飞过，该站测的速度在一观测站的上空飞过，该站测得飞船长度
43、及船身通过观测站的时间间隔各是多少？得飞船长度及船身通过观测站的时间间隔各是多少？)m(54)s(1025.2/7vLt时间间隔cvLL/120解：观测站测船身长解：观测站测船身长79/80练习：练习：静止时边长为静止时边长为5050的立方体，当它沿着与它的一个的立方体，当它沿着与它的一个棱边平行的方向相对地面以匀速度棱边平行的方向相对地面以匀速度2.42.410108 8m/sm/s运动时，在运动时，在地面测得它的体积为多少？地面测得它的体积为多少？解：在运动方向上：解：在运动方向上：220/1cvll20)34.2(1l06.0 l6.030 lV33310756.050cm80/80相对论中不同惯性系上进行贸易（出口定做的集装箱）相对论中不同惯性系上进行贸易（出口定做的集装箱）会出现何种结果（从用材上考虑）？会出现何种结果（从用材上考虑）？作业本：作业本：1 1；5 5；8 8；1010.a.
